高温超导电缆在舰船消磁系统中的应用概述

赵文春，杨 峥，刘胜道



高温超导电缆在舰船消磁系统中的应用概述

赵文春，杨 峥，刘胜道

(海军工程大学电气工程学院，武汉430033)

高温超导电缆具有重量轻、损耗低、电流运载能力强等特点，将高温超导电缆运用在舰船消磁系统中可以提高舰船消磁系统的消磁能力，增强舰船的战斗力。本文结合高温超导电缆的特点，概述了消磁绕组使用高温超导电缆代替铜质电缆的意义，并从工程实施方面对高温超导电缆应用于舰船消磁的可行性进行了分析，最后提出实现高温超导消磁系统需要解决的问题。

高温超导 舰船消磁系统 可行性

0 引言

舰船在长期航行中受地球磁场、机器运转和海水等影响会产生一定的磁场，我们称之为舰船磁场。舰船消磁是一种采取现代电磁方法和控制技术将舰船磁场消除或补偿到一定范围内的技术，用于防御敌方探测设备的探测和水中兵器的攻击，保障舰船航行安全。

舰船消磁分为临时线圈消磁法和消磁系统补偿法，临时线圈消磁法主要用于消除舰船的固定磁场，消磁系统补偿法主要用于补偿舰船的感应磁场和剩余固定磁场。

舰船消磁系统主要由消磁绕组、消磁电源和消磁电流控制器组成，如图1所示[1]。舰船消磁系统补偿舰船磁场的方法是：在舰船内部敷设不同形式的消磁绕组，在消磁绕组中通入一定大小电流，使其在船外空间产生一个与舰船磁场大小相等、方向相反的磁场。

目前消磁绕组主要使用铜质电缆，但随着海军使命任务的变化，以及高灵敏度磁传感器在磁引信水雷上的应用，舰船消磁技术的发展变得越发迫切。如果利用铜质消磁电缆进一步提高舰船消磁系统的消磁能力将带来费用、重量和体积的增加，而且布设过多的绕组也会显著增加安装难度[2]。因此，有必要寻找一种能够代替铜质电缆的材料提高舰船消磁系统的消磁能力。本文就此思路，对高温超导电缆进行了研究。结合高温超导电缆的特点，概述了高温超导电缆替代铜质电缆的意义，并从工程实施方面对高温超导电缆应用于舰船消磁系统的可行性进行分析。

1高温超导电缆的特点

1986年以来，高温超导体被发现并很快形成实用化带材。美、日、韩、德等国投入了大量的资金进行高温超导电缆的实用化研究。其中，美国对高温超导电缆的研究处于世界领先地位，2008年纽约长岛州电力局和美国超导公司合作研制的第二代高温超导电缆投入商业电网运行[3]。对比铜质电缆，高温超导电缆具有以下特点。

低损耗，高温超导电缆由于其“零电阻”的特性，焦耳损耗非常小，它的主要损耗来自于制冷剂的能量损耗，运行过程中的总损耗只是常规铜质电缆损耗的一半左右。

体积小、电流容量大。相同横截面的高温超导电缆的电流传输能力是常规铜质电缆的3~5倍。例如，在消磁系统中原本需要3~5根铜质电缆，如果换做相同截面积的高温超导电缆，只需一根就可以解决问题。

无污染。高温超导电缆具有环境友好的特点，可以用液氮做为冷却剂来保持高温超导电缆的运行环境，对环境没有污染。而常规的充油电缆却存在着漏油而造成环境污染的缺点[4]。

稳定性好。高温超导电缆在短时间内可承受短路电流，可以提高系统运行的稳定性[5]。

2高温超导电缆代替铜质电缆的意义

1)国内主要通过消磁站、消磁船和舰船消磁系统三种方法为舰船做磁性处理。消磁站和消磁船的主要任务是消除舰船的固定磁场，而舰船消磁系统除了可以补偿舰船的感应磁场外，同时也可以用来补偿一部分固定磁场。铜质电缆受电阻值和自身重量的局限，能够补偿固定磁场的量较小，而高温超导电缆具有运载电流能力强的特点，理论上可以补偿更大的固定磁场，使舰船不必非要去消磁站或用消磁船做磁性处理，这将会减小舰船定期消磁的频率，并且降低消磁站的消磁负荷。

2)舰船消磁系统主要包括线缆、电源系统、管道、接线箱等器件，分别从这几个方面的花费以及安装费用进行估算，绘制出饼状图。如图2所示，虽然传统铜质消磁系统和高温超导消磁系统的总体费用相差并不大，但费用比例却不尽相同。传统铜质消磁系统安装费用占的比重比较大，而高温超导消磁系统由于使用了价格相对昂贵的高温超导电缆，所以线缆费用占的比重相对较大[6]。高温超导消磁系统的经济优势体现在使用过程中，高温超导电缆运行功耗仅为传统铜质消磁系统的一半左右。所以长远来看，高温超导消磁系统比传统铜质消磁系统经济的多。

3)将传统的铜质消磁系统与高温超导消磁系统在重量方面进行估算并绘制出饼状图。如图3所示，高温超导消磁系统在重量方面大大减轻，仅为传统铜质消磁系统重量的五分之一。这不但为舰船减轻了负担，而且可以允许舰船装载更多的武器设备，提高舰船的敏捷性和作战能力。

3高温超导电缆用于舰船消磁系统的可行性分析

1)目前具有使用价值的高温超导带材主要有三种。分别是Bi-2223和Bi-2212等第一代Bi系高温超导带材、YBCO等第二代高温超导带材和近年来发现的MgB2高温超导带材[7]。第一代铋系高温超导带材需包上银或银合金套管，成本相对较高，又因为其性能不如二代高温超导带材，所以它的应用市场并不大[8]。第二代YBCO高温超导带材，采用沉积法在金属基体带材上沉积YBCO涂层，相比第一代Bi系带材有着更好的磁场性能和更高的电流密度，并且降低了制作成本，同时也达到了商业化生产水平，目前第二代高温超导电缆在电网领域的应用越来越广泛。图4所示为YBCO高温超导电缆绞线及成型后的产品。

2)第二代YBCO高温超导带材临界温度在90K以上，而常压下液氮温度为77K，因此可以使用液氮作为冷却介质，液氮制作方便、技术成熟，同时对空气没有污染，能够满足高温超导电缆正常工作所需要的低温条件。

3)多股YBCO带材特种工艺绞缆成型技术成熟，高温超导电缆的工艺制作方面已不是难题。

4)一般情况下小型舰船所用铜质消磁电缆的横截面积控制在10mm2以内，中型舰船所用铜质消磁电缆横截面积不大于70mm2。大型舰船所用铜质消磁电缆横截面积不大于150mm2。高温超导电缆的横截面积相比常规铜质电缆会略大，但其弯曲半径符合消磁绕组的弯曲要求。

5）高温超导带材的临界电流大小虽受磁场强度的影响，但舰船磁场强度相对来说还是很小，对高温超导电缆临界电流的影响不大[9]，不会影响高温超导电缆的正常使用。

4高温超导电缆应用于舰船消磁需要解决的问题

1)高温超导电缆终端结构复杂，包括内外支撑件、恒温器、电流引线、接管套筒、接管法兰等，并且终端电场集中，容易造成绝缘层的老化和击穿，从而有可能引起局部过热[10]。所以如何实现消磁线圈与电源之间系统的完美连接是需要解决的问题。

2)高温超导电缆正常运行受温度、电流密度和磁场强度的制约，一旦电缆局部运行条件异常，将会产生“失超”现象，局部电阻迅速变大并产生大量的热量，危机到整个消磁系统的正常工作。因此还需设计一些“失超”检测装置，防患于未然。

3)舰船有着特殊的环境条件，船舱空间相对较小，不但要考虑消磁线圈的敷设方式，同时也要考虑制冷系统的布局和安装。

参考文献:

[1] 桂永胜.舰船消磁控制设备现状和发展趋势[J].中国舰船研究，2010,(8):75-80.

[2] BK Fitzpatrick, TH Fikse, WA Lynch. High temperature superconducting degaussing system :

US, 7451719[P]. 2008-11-18.

[3] 夏芳敏,郭慧,林中山,王醒东. 二代高温超导电缆在电网中的应用前景[J].电工材料，2014,(4):24-27.

[4] 王少华,叶自强,罗盛.高温超导输电电缆的发展现状[J].高压电器, 2011,47(7):80-85.

[5] 陈宏,谢述锋,程德彬.超导材料研制及其舰船和风电应用最新进展[J].材料开发与应用,2012,4:89-93.

[6] J.T. Kephart, B.K. Fizpatrick,P. Ferrara. High temperature superconducting degaussing from feasibility study to fleet adoption: IEEE.2011.

[7] 毕延芳,洪辉,信赢.高温超导电力应用的低温冷却系统及制冷机[J].中国科学,2013,10:1101-1111.

[8] 夏芳敏,郭慧,林中山.王醒东.二代高温超导电缆在电网中的应用前景[J].电工材料,2014,4:24-27.

[9] 张国民.高温超导带材及线圈的交流损耗[D].北京：中国科学院电工研究所，2003：27-30.

[10] 刘少波.高温超导电缆失超保护研究[D].武汉：华中科技大学，2012：11-13.

Review of High Temperature Superconducting Used in Vessel’s Degaussing System

Zhao Wenchun, Yang Zheng, Liu Shengdao

（College of Electrical Engineering, Naval Univ.of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM26

A

1003-4862（2016）09-0037-03

2016-04-15

赵文春（1973-），男，博士，副教授。研究方向：舰船消磁。